Московский Государственный Университет им. М.В. Ломоносова
Факультет Биоинженерии и Биоинформатики
Компьютерный анализ регулона, отвечающего за биосинтез триптофана, в геномах архей
Курсовая работа студентки 2-го курса
Гарушянц С.
Тьюторы: Равчеев Д.А., Герасимова А.В.
Супервайзер: д.б.н. проф. Гельфанд М.С.
Москва, 2004
Введение
Археи представляют собой третью ветвь органического мира, отличную от эукариот и эубактерий. Расхождение архей и эукариот произошло, по всей видимости, уже после отделения эубактерий. Такие представления о возникновении данной группы связаны с тем, что по общему строению клетки, центральному метаболизму и строению транспортных систем они ближе к прокариотам, тогда как транскрипция и трансляция построены по эукариотическому типу. Так, строение РНК-полимеразы скорее напоминает эукариотическое, и, кроме того, для архебактерий показан процессинг мРНК, ранее известный только для эукариотических организмов. Некоторые особенности есть и в строении рибосом: по составу входящих в них рРНК и белков, они имеют типично бактериальное строение, но по форме скорее напоминают эукариотические (Bell and Jackson, 1998). Несмотря на то, что археи представляют собой уникальный источник биологического разнообразия, данная группа является намного менее изученной, чем бактерии и эукариоты. Это связано как с недавним ее открытием, так и с различными трудностями, возникающими при экспериментальном изучении архебактерий. К настоящему времени подробно изучены лишь механизмы метаногенеза, тогда как общий метаболизм практически не исследован.
Исследования архей биоинформатическими методами также ограничены лишь несколькими работами, например, предсказанием гена для шикимат-киназы, фермента, задействованного в синтезе ароматических соединений (Daugherty et al., 2001). В другой работе (Gelfand et al.
, 2000) был проведен анализ некоторых регуляторных систем архей методами сравнительной геномики. Так, была изучена регуляция теплового шока, фиксации азота и синтеза триптофана, пуриновых нуклеотидов. В связи с ростом числа полных геномных последовательностей, было решено провести дальнейшее исследование синтеза триптофана в различных архебактериях.
Регуляция синтеза триптофана ранее была подробно изучена у гамма-протеобактерий и в грам-положительных бактериях (Panina et al., 2001; Panina et al.
,2003).
В случае гамма-протеобактерий была показана регуляция данного метаболического пути на нескольких уровнях. Регуляторная система включает два регулятора транскрипции, TyrR и TrpR, аттенюационные механизмы и аллостерическую регуляцию по принципу обратной связи. У грам-положительных бактерий наряду с регуляцией транскрипции присутствует также регуляция по типу аттенюации: за счет РНК-связывающего белка TRAP, а также за счет специфической последовательности в лидерной области мРНК, так называемого Т-бокса.
Описанные статьи представляют интерес, поскольку путь синтеза триптофана (Рис. 1) практически не отличается у бактерий и архей, и в нем участвуют гомологичные белки.
Как уже говорилось, предпринимались попытки изучения регуляции синтеза триптофана и в архебактериях. Так, в геноме Methanobacter
thermautotrophicus
в регуляторных областях генов синтеза триптофана были обнаружены довольно консервативные потенциальные сигналы (Gelfand et al.
, 2000). Сигнал в данном случае представляет собой тандемный повтор, единицей которого является палиндром длиной 6 нуклеотидов с консенсусом TGTACA. Расстояние между палиндромными последовательностями в пределах одного сайта составляет от 3 до 5 нуклеотидов.
Сайты такого вида были найдены перед всеми оперонами, кодирующими синтез триптофана из общего предшественника всех ароматических аминокислот – хоризмата (Рис.1). К таковым относятся опероны MTH1476 и MTH1655-61. Сайты были обнаружены также в регуляторных областях генов, ответственных за синтез общего предшественника всех ароматических аминокислот – хоризмата, и взаимопревращения хоризмата и префената (см. Табл.1). Префенат представляет собой предшественник двух других ароматических аминокислот – тирозина и триптофана. Таким образом, данная регуляторная система контролирует не только синтез триптофана, но и соотношение всех трех ароматических аминокислот.
Потенциальный сайт был также обнаружен перед геном MTH1654, образующим дивергон с опероном MTH1655-61. Анализ аминокислотной последовательности продукта этого гена, а также его ортологов из геномов Archaeoglobus fulgidus
и Pyrococcus
horikoshii
показал, что данный белок является фактором транскрипции. Расположение данного гена в одном локусе с генами синтеза триптофана и присутствие перед ним регуляторного сайта говорит о том, что, скорее всего, именно этот белок и является регулятором синтеза триптофана.
Рис. 1.
Путь синтеза триптофана у архей. Около стрелок указаны тривиальные названия генов.
Табл. 1.
Названия генов и функции белков, входящих в регулон синтеза триптофана у Methanobacter
thermautotrophicus
| Функция |
Название соответствующего гена
|
Тривиальное название гена
|
| Предполагаемый репрессор синтеза триптофана |
MTH1654 |
|
| Хоризмат синтаза |
MTH748 |
aroC
|
| Хоризмат мутаза, субъединица А |
MTH804 |
pheA
|
| Триптофан синтаза, субъединица бета гомолог |
MTH1476 |
trpB
|
| Хоризмат мутаза, субъединица А |
MTH1640 |
tyrA
|
| Антанилат синтаза компонент I |
MTH1655 |
trpE
|
| Антанилат синтаза, компонент II |
MTH1656 |
trpG
|
| Индол-3-глицерол фосфат синтаза |
MTH1657 |
trpC
|
| 5’-фосфорибозил антанилат изомераза |
MTH1658 |
trpF
|
| Триптофан синтаза, бета субъединица |
MTH1659 |
trpB
|
| Триптофан синтаза, альфа субъединица |
MTH1660 |
trpA
|
| Антанилат фосфорибозилтрансфераза |
MTH1661 |
trpD
|
Цели и задачи
Как уже упоминалось ранее, целью данной работы было изучение регуляции синтеза триптофана в различных группах архебактерий. Данная задача интересна с точки зрения молекулярной эволюции, поскольку имеется возможность проследить изменения, как в составе метаболического пути, так и в строении регуляторных систем.
Для этого нами были поставлены следующие задачи: поиск ортологов регуляторного белка, поиск ортологов белков-ферментов метаболического пути, выявление неортологичных замен, поиск новых регуляторных сигналов, изучение структуры регулона.
Материалы и методы
Нами было исследовано 12 геномов архей, принадлежащих к различным группам: Methanobacter
thermautotrophicus
delta
H
(Smith et al., 1997), Methanosarcina acetivorans
C2
A
(Galagan et al., 2002), Methanosarcina mazei
(Deppenmeier et al., 2002), Pyrococcus
abyssi
GE5 (Cohen et al., 2003), Pyrococcus
furiosus
DSM 3638 (Maeder et al., 2002), Pyrococcus
horikoshii
OT3 (Kawarabayasi et al., 1998), Archaeoglobus
fulgidus
DSM 4304 (Klenk et al., 1997), Halobacterium
salinarum
NRC-1 (Ng et al., 2000), Thermoplasma
acidophilum
DSM 1728 (Ruepp et al., 2000) и Thermoplasma
volcanium
GSS1 (Kawashima et al., 2000), а также неполные геномы Methanosarcina
barkeri
str.
fusaro
, Methanococcoides
burtonii
DSM 6242 и Ferroplasma
acidarmanus
. Все последовательности геномов были взяты из базы данных GenBank (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/)
Для поиска интересующих нас регуляторных сайтов использовался метод «проверки соответствия» (“consistency check”). Суть данного метода заключается в том, что исследуется сохранение сайта перед ортологичными генами в родственных геномах. Если сайт сохраняется, то данные гены с большой вероятностью находятся под регуляцией. Если же сайт не сохраняется, то, скорее всего, данный сигнал является ложным (так называемое «перепредсказание»). Благодаря данному методу можно предсказывать регуляцию, даже имея недостаточно специфичное распознающее правило (Mironov et al.
, 2000).
Для поиска потенциальных сайтов в геномных последовательностях нами использовался метод позиционных весовых матриц (Gelfand et al.
, 2000).
В этом методе, на основании набора известных сайтов, используя множественное выравнивание, рассчитывается вес каждого нуклеотида в каждой позиции по формуле:
W(b,k)= log[N(b,k)+0,5]-0,25 Si
log[N(i,k)+0,5],
где: i - все нуклеотиды, N(b,k) – число появлений нуклеотида b в позиции k.
Вес сайта представляет в данном случае сумму весов всех его позиций.
У данного метода есть несколько преимуществ. Во-первых, учитывается разная значимость различных позиций сайта, что является следствием специфичности ДНК-белковых взаимодействий. Во-вторых, учитывается возможность замен одного нуклеотида на другой в определенной позиции и вероятность таких замен.
Для поиска ортологичных генов и потенциальных регуляторных сайтов в геномных последовательностях был использован пакет программ GenomeExplorer (Миронов и др., 2000).
Для построения матриц для поиска сайтов использовалась программа SignalX (Миронов и др., 2000).
Для построения множественных выравниваний и филогенетических деревьев была использована программа ClustalX (Thomson et al., 1997).
Для визуализации деревьев использовалась программа GeneMaster (Миронов А. А., неопубликованное).
Для поиска гомологов известных белков в других геномах была использована программа BLAST (Altschul et al., 1997) (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/BLAST/).
Для построения диаграмм лого регуляторного сайта использовалась программа WebLogo (Crooks, 2004).
Для поиска в белковых последовательностях мотивов «спираль-поворот-спираль» (helix-turn-helix, HTH) использовалась программа “Helix-Turn-Helix Motif Prediction” (Dodd and Egan, 1990).
Результаты и обсуждение
Поиск ортологов белка-регулятора в геномах архей
В качестве первого этапа поиска ортологов был произведен поиск гомологов белка-регулятора из M.
thermoautotrophicus
в белковой базе данных при помощи программы BLAST. После этого уже среди геномов архей, имеющих гомолога, был проведен поиск ортологов данного регулятора, в результате был выбран ряд геномов (см. материалы и методы). Поиск ортологов белка-регулятора является необходимым условием изучения регуляции, поскольку при его отсутствии невозможно предположить, что искомые сайты в исследуемых геномах будут похожи на уже известные сайты в геноме M.
thermoautotrophicus.
Отсутствие ортолога белка-регулятора говорит о том, что-либо используется другой механизм регуляции, либо отсутствует данный метаболический путь. Отдельного внимания заслуживает ситуация с геномом M.
barkeri.
В настоящее время нам доступна лишь неполная последовательность генома этого организма, в которой не удалось найти ортолога белка-регулятора. Однако в белковой базе данных с помощью программы BLAST был найден гомолог регулятора из Methanobacter
thermoautotrophicus
. Поиск гомологов в геноме M.
thermoautotrophicus
показал, что лучшим гомологом для найденного белка из M. barkeri
является именно регулятор MTH1654. Таким образом, эти два белка являются ортологами. Кроме того, нами были найдены ортологи MTH1654 в геномах двух других организмов из рода Methanosarcina
: M. acetivorans
и M. mazei
. На основании этого мы исследовали регуляцию синтеза триптофана также и в геноме M.
barkeri
.
Выравнивание аминокислотных последовательностей белков-регуляторов показано на рисунке 2. Ранее были высказаны предположения о том, что данный белок содержат HTH-домен (Gelfand, 2000). Их картирование при помощи программы поиска HTH-доменов (Dodd and Egan, 1990) показало, что таковые имеются во всех белках. Несмотря на то, что данные участки выравниваются между собой, степень их сходства крайне низка, в результате чего возможны изменения в структуре регуляторного сигнал. Выравнивание показало также, что у белков-регуляторов из M.
burtonii,
P.
furiosus,
M.
thermoautotrophicus
и H.
salinarum
неправильно определены старты генов (Рис. 2).
На основе множественного выравнивания было построено филогенетическое дерево белков-регуляторов (Рис.3). Как видно из рисунка 3, степень сходства регуляторов низка, а, следовательно, и сигнал во всех изучаемых видах мог измениться в ходе эволюции. Поэтому для поиска сигнала разумно выделить на дереве группы, в которых регуляторы имеют достаточно высокий уровень сходства. Можно рассчитывать, что внутри таких групп сигнал скорее всего будет сохраняться. Поиск сигнала производился отдельно внутри каждой группы. Были выделены следующие группы:
- группа, соответствующая роду Pyrococcus
;
- группа, включающая в себя рода Methanosarcina
и Methanococcoides
;
- группа, объединяющая рода Thermoplasma
и Ferroplasma.
Рис. 2.
Выравнивание аминокислотных последовательностей белков-регуляторов с картированными на нем HTH-доменами (показаны белыми буквами на черным фоне). Обозначения: PAB - Pyrococcus
abyssi
, PH - Pyrococcus
horikoshii
, PF - Pyrococcus
furiosus
, MA - Methanosarcina
acetivorans
, MM - Methanosarcina
mazei
, MBA - Methanosarcina
barkeri
, MCB - Methanococcoides
burtonii,
AF - Archaeoglobus
fulgidus
, Hsp - Halobacterium
salinum
NRC-1
, FAC - Ferroplasma
acidarmanus
, TA - Thermoplasma
acidophilum
, TVN - Thermoplasma volcanium
, MTH - Methanobacter
thermoautotrophicus
.
PAB -------------------------------------MWGRIEHYFDEYPVRKLIAKTLL
PH -------------------------------------MWGRIEHYFDEYPVRKLIAKTLL
PF ----------------------------MLNFVGGRLMWGKIEHYFDEYPVRKLIAKTLL
MTH -----------------------------MYINVVKCMWKQIKHRFEGYPSRMYVARKII
MA -------------------------------------MWQTLLSKFEKYPAQAKVLKLLF
MM -------------------------------------MWQTLLKKFEKYPAQAKVLKLLF
MBA -------------------------------------MWQTLLKKFEKYPAQAKVLKLLF
MCB MSNYICMFLCFNGSFIKLILYGYKPLYPYNFRPKVIIMWSTVLNKFEKHPAQQKVIKLLF
Hsp ------------------------------------------MQKFEGSPGQQAVIRLLL
TA -------------------------------------MWSYIYDKFSRSPSQLRIVKKMF
TVN -------------------------------------MWSYIYDKFSRSPSQLKIVKKMI
FAC -------------------------------------MWDYINKVFDNYPAEKKVVQKML
AF -------------------------------------MWKKVAEKFEKYPSQIAVAREFL
Рис. 2.
Продолжение
PAB RYGLRVSE----DMKIKAGEIEVPYTKIAKALNVDRRVVKETVAMILKTPELREIYMNLE
PH RYGLRVSE----DMKIKAGEIEVPYTKIAKALNVDRRVVKETVAMILKTPELRDIYMNLE
PF RYGLRVSE----DMKIKAGEIEVPYTKIAKALNVDRRVVKETVAMILKTPELRDIYMNLE
MTH DLGFRIDR----NGKIYCDDVEISDVALARAVGVDRRTVRATANTILEDEKLRGIFENMM
MA ERGFQVNE----EGKVTSGSIEIAHTQLAKEVGVDRRVVDATTKTIISDELLSTIFKNVH
MM ERGFQVNE----EGKVTSGSIEIAHTQLAKEVGVDRRVVDATTKTIISDELLSTIFKNVH
MBA ERGFQVNE----EGKVTSGSIEIAHTQLAKEAGVDRRVVDATTKTIISDELLSRIFRNVH
MCB ERGFQVNG----DGKVTSGSIEIPHTQLAKEAGVDRRVVDATTETILSDELLKNIFQNVT
Hsp ERGFSVND----GGRVVSGGIEIPYTQVAQEAGVDRRVVDSTTEAILDDGELTRIFQNIS
TA SIGIRVTKLYD-EPVLMCGDIEIRPNTLAKATGTDRRSVMSVIERIINDETLYPVFSQLE
TVN STGIKVTKSFDNEPVLMCGDIEIRPNTLAKAAETDRRSVISVINRIANDDKLYPFFSQLE
FAC KIGISVKILYD-EPKLFCESIEIKPNSIARAFHVDRRVIVNMIQKIINDPELFDFFSNLE
AF RLGISVR-----NGKAYCGDIELVPTKIAEAIGVDRKVVLAAIQNIESDEELSKVFSALK
*: : . :*: :*. .**: : * . * .: :
PAB PT-VHMKYVGKHVGYGVIEIEPEPRA-IGILAKVAQKIADRGINIVQAIAEDPELYPEAT
PH PT-VHMKYVGRHVGYGVIEIEPEPRA-IGILARVAQKIADRGINIVQAIAEDPELYPEAT
PF PT-VHMKYVGKHVGYGVIEIEPEPRA-IGILAKIAQKIAEREINIVQVVAEDPELYPEAI
MTH PAGALLRDAAGELDFGVVEIEADARN-PGILAAAARLIADKGISIRQAHAGDPELDETPR
MA SI-PFLRDVAPALGLGVIIIIPEDAAHIGILAEVAGLISKHNVSIRQAVSDDPYLTDNPR
MM SI-PFLRDVAPSLGLGVIIIIPEDAAHVGILAEVAGLISKHNVSIRQAVSDDPYLTDNPM
MBA SI-PFLRDVAPSLGLGVIIIIPEDAADVGILAEVASLISGSKVSIRQAVSDDPYLTDNPR
MCB SI-PFLRDVAPALGLGVIIITPDDAANVGILFSVSQVISNHNISIRQAVSDDPYFNSKAM
Hsp QI-PSLMDLAPVLDLHVVTVAVQDADEPGIVAAVTGLLADHGIPIRQTISEDPEFTDEPR
TA PV-ANLWKVSSKLGYGVIEILPESASKPGIIAGVSSIIAKRGISIRQVIVDDPELVEDPK
TVN PV-ANLWKASVKMGLGVIEIIPESANKPGIIAGISSIIAKHNISIRQVIVDDPEIVEDPK
FAC PM-SNFENSGSKMGFGVIEIIPTDASMPGIIAGVMNVLAESGISVRQFIADDPDLVDNPR
AF PV-ANIAEVARILGFGVLEVYAEST-KVGIVAGVASALANAGISIRYILAEDPELSVESK
: . :. *: : **: :: : : ** : .
PAB LTIITEKPIPGDLINELSKLEGVKRISIY
PH LTIITEKPIPGDLINELSKLEGVKRISIY
PF LTIITEKPIPGDLINELSKLEGVKRISIY
MTH LTIITETPIPGGLLKDFLKIDGVKRVSIY
MA LTIITDHKVPGDLVDDILNLPSVKGVSIY
MM LTIITDNKVPGDLVDEILKLPSVKGVSIY
MBA LTIITDKKVPGELVDKILELPSVKGVSIY
MCB LTIITDSKVPGDIVNEILQLPGVKGVSIY
Hsp LYVVTDEELPGAVFTALAEMSAVRSVELS
TA AVVVTEQKVPPDIIPELKSVEGVRAITIL
TVN AVVVTDQKVPAELIPELRSVDGVKGITIL
FAC AIIVTTNTITGDVLNGIKKARGVKAVML-
AF LTVVTETKIPGAVVEEILRVEGVEKVLIS
::* :. :. : .*. : :
Рис. 3.
Филогенетическое дерево для белков, ортологичных MTH1654 из M.
thermautotrophicum.
Обозначения: MTH - Methanobacter
thermoautotrophicus,
PAB - Pyrococcus
abyssi
, PH - Pyrococcus
horikoshii
, PF - Pyrococcus
furiosus
, MA - Methanosarcina
acetivorans
, MM - Methanosarcina
mazei
, MBA - Methanosarcina
barkeri
, MCB - Methanococcoides
burtonii,
AF - Archaeoglobus
fulgidus
, Hsp - Halobacterium
salinum
NRC-1
, FAC - Ferroplasma
acidarmanus
, TA - Thermoplasma
acidophilum
, TVN - Thermoplasma volcanium
.
Поиск потенциальных членов триптофанового регулона в геномах архей
После того, как были выбраны геномы, содержащие ортолога белка-регулятора, в них был произведен поиск генов, участвующих в синтезе триптофана. С этой целью был проведен поиск ортологов для всех генов, входящих в триптофановый регулон в M.
thermautotrophicus
(Таблица 2). Особенно стоит отметить то, что, несмотря на наличие регулятора у P.
horikoshii
, метаболический путь у данного вида почти полностью отсутствует, что было показано ранее (Xie et al., 2003).
Для некоторых генов в ряде геномов не удалось найти ортологов. При этом в составе оперонов, содержащих гены синтеза триптофана, были найдены гены с неизвестной функцией. Для продуктов этих генов был произведен поиск гомологов при помощи программы BLASTP.
Ряд неортологичных замен наблюдается для 5’-фосфорибозил антанилат изомеразы (trpF) у таких организмов, как Pyrococcus
abyssi
и P
.
furiosus
, Thermoplasma
acidophilum
и Archaeglobus
fulgidus
. Для белков из Pyrococcus
abyssi
и P
.
furiosus
уровень сходства с ферментом TrpF из Lactobacillus
casei
, для которого данная функция была определена экспериментально, составляет 30% и 32% соответственно (Natori, 1990). Для этих же видов был показан высокий уровень сходства с TrpF из археи Thermococcus
kodakaraensis
(уровень сходства 60% и 58% соответственно) и белками из бактерий Clostridium
acetobutylicum
с меньшим сходством (32%) для P
.
abyssi
, и Listeria
innocua
для P
.
furiosus
с уровнем сходства 35%. Для TrpF из Thermoplasma
acidophilum
было обнаружено сходство с белком из Thermoplasma
volcanium
(48%) , белком из бактерии Lactobacillus
casei
, но с меньшим сходством (35%). Для белка из A
.
fulgidus
уровень сходства с соответствующим белком из бактерии Lactobacillus
casei
составляет 31%, так же найдено сходство с белками из ряда архей, например, уровень сходства с белком из Thermococcus
kodakaraensis
составляет 50%. Для всех найденных TrpF из архей и TrpF из бактерии Lactobacillus
casei
было построено филогенетическое дерево (Рис. 4). Как видно из рис. 4, все белки TrpF, несмотря на низкий уровень сходства, принадлежат к одному семейству. Ветвь, соответствующая бактериальному белку, выходит из одного общего корня со всеми белками из архей, в результате чего исключается предположение о горизонтальном переносе от бактерий к археям. Таким образом, наиболее вероятным представляется следующее предположение: все белки TrpF архей представляют собой гомологи, далеко разошедшиеся в ходе эволюции. Однако, из-за низкого уровня сходства, используемый алгоритм поиска ортологов не позволяет нам идентифицировать все TrpF, как ортологичные.
Помимо этого наблюдается неортологичные замены альфа-субъединицы триптофан синтазы (TrpA) у рода Thermoplasma
. Так для T.
acidophilum
было найдено сходство с TrpA
| Тривиальное название гена |
MTH
|
MCB
|
MM
|
MBA
|
MA
|
AF
|
Hsp
|
FAC
|
TA
|
TVN
|
PAB
|
PF
|
|
| MTH1654 |
068_0059 |
MM2375 |
- |
MA1396 |
AF1020 |
VNG2296C |
166_0095 |
Ta1106 |
TVN0456 |
PAB2435 |
PF1572 |
||
| aroC
|
MTH748 |
068_0108 |
MM1712 |
RMMA08408 |
aroC
|
AF0670 |
aroC
|
157_0040 |
Ta0824 |
TVN0729 |
aroC
|
PF1700 |
|
| pheA
|
MTH804 |
- |
- |
- |
- |
- |
VNG1244C |
- |
- |
- |
- |
- |
|
| trpB-1
|
MTH1476 |
068_0036 |
MM0337 |
- |
trpB
|
AF1240 |
- |
158_0036 |
Ta0669 |
TVN0931 |
trpB-2
|
PF1592 |
|
| tyrA
|
MTH1640 |
046_0008 |
MM1275 |
- |
MA4595 |
AF0227 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
|
| trpE
|
MTH1655 |
048_0022 |
MM2818 |
RMMA07397 |
trpE
|
AF1603 |
trpE1
|
158_0031 |
Ta0806 |
TVN1024 |
trpE
|
PF1709 |
|
| trpG
|
MTH1656 |
- |
MM2817 |
- |
trpG
|
AF1602 |
trpG1
|
158_0030 |
Ta0807 |
TVN1023 |
trpG
|
PF1708 |
|
| trpC
|
MTH1657 |
062_0018 |
MM2823 |
RMMA07985 |
trpC
|
AF1604 |
trpC
|
158_0029 |
Ta0808 |
TVN1022 |
PAB2043 |
PF1711 |
|
| trpF
|
MTH1658 |
- |
MM2819 |
RMMA08710 |
trpF
|
AF1601* |
trpF
|
158_0032 |
Ta0805* |
TVN1025 |
trpF
|
PF1707* |
|
| trpB-2
|
MTH1659 |
062_0019 |
MM2822 |
RMMA08701 |
- |
AF1600 |
trpB
|
- |
- |
- |
trpB-1
|
PF1706 |
|
| trpA
|
MTH1660 |
062_0020 |
MM2821 |
RMMA08700 |
trpA
|
|
trpA
|
158_0035 |
Ta0803* |
TVN1027* |
trpA
|
PF1705 |
|
| trpD
|
MTH1661 |
048_0025 |
MM2820 |
RMMA07984 |
trpD
|
AF1604 |
trpD1
|
158_0034 |
Ta0804 |
TVN1026 |
trpD
|
PF1710 |
Табл. 2.
Ортологи всех генов, входящих в триптофановый регулон в Methanobacter
thermautotrophicus.
Обозначения: PAB - Pyrococcus abyssi
, PF - Pyrococcus furiosus
, MA - Methanosarcina acetivorans
, MM - Methanosarcina mazei
, MBA - Methanosarcina
barkeri
, MCB - Methanococcoides
burtonii,
AF - Archaeoglobus
fulgidus
, Hsp - Halobacterium
salinum
NRC-1
, FAC - Ferroplasma
acidarmanus
, Ta - Thermoplasma
acidophilum
, TVN - Thermoplasma volcanium
, MTH - Methanobacter
thermoautotrophicus
.
Условные обозначения: “-“ ортологов не найдено; “*” - установлена неортологичная замена.
Sulfolobus tokodaii
(27%), с бактериальной триптофан синтазой из Chlamydophila caviae
(29%) и даже с соответствующим белком из красной водоросли Porphyra purpurea
(22%). Для T.
volcanium
было найдено сходство с trpA архей (Sulfolobus solfataricus
– 27%) и бактерий Chlamydophila caviae
(27%).
Для всех белков TrpA также было построено филогенетическое дерево (Рис. 5). В случае с TrpA ситуация оказалась схожей с наблюдавшейся для белков TrpF. Однако, в
непосредственной близости от ветви, содержащей белки из T.
acidophilum
, T.
volcanium
и F.
acidarmanus
, располагается ветвь, соответствующая Trp из кренархеот рода Sulfolobus
. Поэтому в данном случае мы не можем исключать возможность горизонтального переноса от кренархеот к эуархеотам.
Рис. 4.
Филогенетическое дерево белков TrpF из архей и бактерий. Обозначения: PAB - Pyrococcus
abyssi
, PF - Pyrococcus
furios
, MA - Methanosarcina
acetivorans
, MM - Methanosarcina
mazei
, MBA - Methanosarcina
barkeri
, AF - Archaeoglobus
fulgidus
, Hsp - Halobacterium
salinum
NRC
-1
, FAC - Ferroplasma
acidarmanus
, TA - Thermoplasma
acidophilum
, TV - Thermoplasma volcanium
, MTH - Methanobacter
thermoautotrophicus
. Бактерии: LC - Lactobacillus casei.
Рис. 5.
Филогенетическое дерево белков TrpA из архей, бактерий и эукариот. Обозначения: Археи: PAB - Pyrococcus
abyssi
, PF - Pyrococcus
furiosus
, MA - Methanosarcina
acetivorans
, MM - Methanosarcina
mazei
, MBA - Methanosarcina
barkeri
, MCB - Methanococcoides
burtonii
,
AF - Archaeoglobus
fulgidus
, Hsp - Halobacterium
salinum
NRC
-1
, FAC - Ferroplasma
acidarmanus
, TA - Thermoplasma
acidophilum
, TV - Thermoplasma volcanium
, MTH - Methanobacter
thermoautotrophicus
, STO – Sulfolobus
tokodaii
, SS – Sulfolobus
sulfotarius
. Бактерии: CCA – Chlamydophila caviae
. Эукариоты: PP – Porphyra purpurea
.
Доменные перестройки
Для синтеза триптофана из хоризмата необходимо 7 ферментативных активностей, названных TrpEGDFCAB, и каждая из них осуществляется за счет своего отдельного белкового домена. Для ряда бактерий и архей было показано, что для белков, участвующих в синтезе триптофана, характерны доменные пересторойки (Xie, 2003). Так, например, у бактерий Corynebacterium
glutamicum
происходит слияние trpC
и trpF
в единый ген, у Coxiella
burtenii
- слияние trpF
и trpB
. Достаточно частым является слияние trpG
и trpD
, например, такая перестройка происходит у бактерий Thermotoga
maritima
и Campylobacter
jejuni
. Для части цианобактерий, таких как Anabaena
sp.,
Nostoc
puncliforme
, было показано слияние trpE
и trpG
(рис. 6).
Рис. 6.
Доменные перестройки для ферментов синтеза триптофана у некоторых видов бактерий и архей. Данные о доменных перестройках у A.
fulgidus
получены в этой работе; остальные примеры взяты из Xie et al. (2003)
Corynebacterium glutamicum
N TrpC TrpF C
N TrpE C N TrpB C N TrpG C N TrpD C
Coxiella burtenii
N TrpF TrpB C
N TrpG C N TrpE C N TrpC C N TrpD C
Thermotoga maritime
, Campylobacter jejuni
N TrpG TrpD C
N TrpE C N TrpC C N TrpB C N TrpF C
Anabaena sp., Nostoc puncliforme
N TrpE TrpG C
Рис. 6
Продолжение
N TrpC C N TrpB C N TrpF C N TrpD C
Archaeglobus fulgidus
N TrpC TrpD C
N TrpF C N TrpB C N TrpG C N TrpE C
Рис. 7. а) Выравнивание TrpCD A. fulgidus
(AF1604) и TrpC M. thermoautotrophicus
(MTH1657); б) Выравнивание TrpCD A. fulgidus
(AF1604) и TrpD M. thermoautotrophicus
(MTH1661).
a)
Met|MTH1657 MLRDIIRSKKLEVKELMKKTPLSILRDDITVMDEPVSFPAAVGGGKVSLICEYKRASPSM
AF|AF1604 ----------------------------MMDFGFVDSLKGASKRGKNAVIAEVKVRSPIH
: :. *: .* ** ::*.* * **
Met|MTH1657 GRISE-RGLEEMMEVYQDLADAVSIVTDGKYFKGSLDLLSGATDYG-KPLLMKDFLVDEY
AF|AF1604 GDLLRGRRIEDILRAYEKAGAAAISYITAEQFSGNFETLKKIVGLTDLPVLRKDFIRGRK
* : . * :*:::..*:. . *. .: *.*.:: *. .. *:* ***: ..
Met|MTH1657 KIYQARASGASSVLLITGVFPDLEAG-IQKCRELSMEPLVECHTSLDIFRALEAGAEIIG
AF|AF1604 EVERTAEVEAAALLLIARHLKERTAEMVDFCFEHGIEPLVEVHHAEDLVYAENARAVLI-
:: :: *:::***: : : * :: * * .:***** * : *:. * :* * :*
Met|MTH1657 VNNRDLETFEVDLERTHALAPLVP-DELILVSESGVRGPEDAEILAGYGADALLIGTAPM
AF|AF1604 -NNRDIDRMERDGGSIDVTAKIAEKIRAFKVSGSGIGSVEDLLFVLQY-VDAALIGTAFM
****:: :* * .. * :. . : ** **: . ** :: * .** ***** *
Met|MTH1657 SAQNPRELLEEIVDAVSQCRDRRRRYTGDEFFEQFA------------------------
AF|AF1604 MAENTEEFVQTVCGGEKMIEDVLRGLDFDKAYELAKTLPELDEIKIAAVLAALEAKGYGA
*:*..*::: : .. . .* * *: :*
Met|MTH1657 ------------------------------------------------------------
AF|AF1604 EVIAGFAKGVAEKSKIEIGKVMDTCGTGGDKTSSINVSTAVAIALSTVHPVAKHGNRAVS
Met|MTH1657 ------------------------------------------------------------
AF|AF1604 SKSGSADVLEALGVRIEMDEERARKMIAETNFAFLFAPLYHKSFARVAAVRRNLGIRTIF
Met|MTH1657 ------------------------------------------------------------
AF|AF1604 NVTGPLTNPARPEVQIVGVASEILLVEVAKAMSLLGRRAVVVYGSGMDEVNPNSSTDIAV
Met|MTH1657 ------------------------------------------------------------
AF|AF1604 VNGGVERLKLEPEDFGIERCRVLPCSSSGESAERIRAVFSGKGLKEDRRLIAINFATALF
Met|MTH1657 -------------------------------------
AF|AF1604 ALGYEDLKENVEIFEEKVQSGELARKLEEIACKSTSM
Рис. 7б. Продолжение
AF|AF1604 MMDFGFVDSLKGASKRGKNAVIAEVKVRSPIHGDLLRGRRIEDILRAYEKAGAAAISYIT
Met|MTH1661 ------------------------------------------------------------
AF|AF1604 AEQFSGNFETLKKIVGLTDLPVLRKDFIRGRKEVERTAEVEAAALLLIARHLKERTAEMV
Met|MTH1661 ------------------------------------------------------------
AF|AF1604 DFCFEHGIEPLVEVHHAEDLVYAENARAVLINNRDIDRMERDGGSIDVTAKIAEKIRAFK
Met|MTH1661 ------------------------------------------------------------
AF|AF1604 VSGSGIGSVEDLLFVLQYVDAALIGTAFMMAENTEEFVQTVCGGEKMIEDVLRGLDFDKA
Met|MTH1661 ----------------------------------MKFRRMIS---EIMD--FRNLSEDEA
:* : :. :::: :*.*. *:*
AF|AF1604 YELAKTLP--ELDEIKIAAVLAALEAKGYGAEVIAGFAKGVAEKS-KIEIG---KVMDTC
Met|MTH1661 YSLMEMIMAGELDDIKIAAILTALAMKGETVDEITGFARAMRDRSPRVRVSGSHEVVDSC
*.* : : ***:*****:*:** ** .: *:***:.: ::* ::.:. :*:*:*
AF|AF1604 GTGGDKTSSINVSTAVAIALSTVHP-VAKHGNRAVSSKSGSADVLEALGVRIEMDEERAR
Met|MTH1661 GTGGDSFRSYNISTAAAMIAAAAGVRVAKHGNRAVTGSCGGADILEAAGVNIELDAAAAA
*****. * *:***.*: ::. *********:...*.**:*** **.**:* *
AF|AF1604 KMIAETNFAFLFAPLYHKSFARVAAVRRNLGIRTIFNVTGPLTNPARPEVQIVGVASEIL
Met|MTH1661 RSLSDVGISFMFAPLFHRATARVAAVRRSLGFKTVFNILGPLTSPAAAGIQLLGVFDPQL
: :::..::*:****:*:: ********.**::*:**: ****.** . :*::** . *
AF|AF1604 LVEVAKAMSLLG-RRAVVVYG------SGMDEVNPNSSTDIAVVNGGVERLK-LEPEDFG
Met|MTH1661 VGPVAEVLRNLGTRCAMVVHGFDANLNPALDEISTVGPTLVAFLEDDEIRIDRLMPPDFG
: **:.: ** * *:**:* ..:**:.. ..* :*.::.. *:. * * ***
AF|AF1604 IER---CRVLPCSSSGESAERIRAVFSGKG---LKEDRRLIAINFATALFALG--YEDLK
Met|MTH1661 VEVGELEHLRAGSTTAENLELFMDVLRGREDTPEQKSRLDIALANAGALIYLAGLADTLP
:* :: . *::.*. * : *: *: ::.* **: * **: *. : *
AF|AF1604 ENVEIFEEKVQSGELARKLEEIACKSTSM--
Met|MTH1661 EGTETAKRTVKSGAALELLEEFVSYTRNLQS
*..* :..*:** . ***:.. : .:
В данной работе нами было показано слияние trpC
и trpD
для археи A.
fulgidus.
Так во всех остальных исследуемых организмах были обнаружены два отдельных гена trpC
и trpD
, а у A.
fulgidus
был обнаружен один ген, включающих обе последовательности. Схематическое изображение расположения доменов в данном ферменте представлено на рисунке 6. На рис. 7 приведены выравнивания белка TrpCD из A.
fulgidus
с белками TrpC и TrpD из M.
thermoautotrophicus
.
Изменения в оперонной структуре
Помимо неортологичных замен и доменных перестроек, нами были обнаружены также изменения в оперонной структуре. Обычно гены, отвечающие за синтез триптофана из хоризмата, расположены в одном опероне. В некоторых случаях, например у Halobacterium
sp.
NRC-1
, происходит распад этого оперона на два или более, например, у Halobacterium
sp.
NRC-1
. Помимо этого у M.
acetivorans
и M.
mazei
сохраняется один оперон, включающий в себя гены синтеза триптофана, но последовательность генов в нем отличается от наблюдающейся у M.
thermoautotrophicus
. Полная оперонная структура генов синтеза триптофана всех исследовавшихся видов архей приведена на рисунке 8.
Рис. 8.
Полная оперонная структура исследованных видов архей. Символом (*) обозначены неортологичные замены. Оранжевыми квадратами обозначено наличие сайта в данной регуляторной области.
Methanobacter thermoautotrophicus delta H
reg trpE trpG trpC trpF trpB-2 trpA trpD
aroC
tyrA
pheA
Methanosarcina mazei
trpC trpB trpA trpD trpF trpE trpG
Methanosarcina acetivorans
trpC trpB trpA trpD trpF trpE trpG
Pyrococcus abyssi
trpC trpD trpE trpG trpF* trpB-1 trpA
trpB-2
Рис. 8.
Продолжение
Pyrococcus
furiosus
trpC trpD trpE trpG trpF* trpB trpA
trpB-1
Thermoplasma acidophilum
trpA* trpD trpF* trpE trpG trpC
trpB
T.volcanium
trpA* trpD trpF trpE trpG trpC
trpB
H. salinarum
trpC trpB trpA
trpD1 trpF trpE1 trpG1
A.fulgidus
trpC,D trpE trpG trpF* trpB-2 trpA
trpB-1
F.acidarmanus
trpB trpA trpD
trpF trpE trpG trpC
Рис
.8.
Продолжение
Methanococcoides burtonii
trpB1
trpE
trpD
trpC trpB trpA
Поиск потенциальных сайтов связывания белка-регулятора
Используя матрицу, полученную на основании сайтов в геноме M.
thermoautotrophicus,
нам удалось обнаружить сигналы только в группе, содержащей организмы из рода Methanosarcina
и Methanococcoides
burtonii,
причем сигнал не был обнаружен для M.
barkeri
. В геномах M.
acetivorans
и M.
mazei
потенциальные сайты связывания были найдены перед trp
-опероном. С помощью выравнивания регуляторных областей перед данными оперонами, было показано, что сайты расположены в консервативной области, тогда как остальная часть данного межгенного участка является неконсервативной (Рис. 9). Помимо trp
-оперона в геномах этих двух видов архей имеется второй ген trpB
, перед которым не было обнаружено потенциальных сайтов. У Methanococcoides
burtonii
сайты были найдены перед всеми генами, отвечающими за синтез триптофана из хоризмата, кроме trpE
. Все найденные сайты приведены в таблице 3.
Рис. 9. Выравнивание регуляторных областей перед trp
-опероном у M
.
mazei
и M
.
acetivorans
. Найденный сигнал на выравнивании отмечен зеленым цветом. Инициаторные кодоны выделены курсивом и подчеркнуты. Обозначения: MA - M
.
acetivorans
, MMZ - M
.
mazei
.
MA|trpC ------------------------------------------------------------
MMZ|MM2823 AATTGGTCAGGCATTGTTATACGGGTCCATTTTTTACCCCTTTATTTCTACTGGAAAAAT
MA|trpC ---------------------------------------AATGTATGAACAAAATAAATT
MMZ|MM2823 TTAATACAGATTTTTTGTAATTTCAATTTTTGCCTTTAAAATTCATCAAACACCTGAAGA
*** ** ** * * **
MA|trpC TGTTTAATTCGGTTATTCTCATCCTACTGAA-GTTCATTTT-GTCTGTAGCCTTTTTAAC
MMZ|MM2823 TCAAAAGAAGTGTTTCCCATACTTGAGGGAATGTTCATCAGAGTCTATCAGTTTTT---C
* * *** * * * *** ****** **** * **** *
MA|trpC TCGGTTCCTGCAATCTTAAAGAATTTATGTGATGTTTTTGTGTGCTGGCTTTTTCTTC--
MMZ|MM2823 TCAAACTGCATGGCACGACAGCGTTTCTGTGTAGAAATGAACTGTCAGCGATTTCTTCAG
** * ** *** **** * * ** ** *******
MA|trpC --CGAATTTTATTTACAGGTATAAATATAAATAAAACTATTATTATT--TAATCCTCAAA
MMZ|MM2823 CCTGTACCCCGGCAGAACTGATAAATTTACTCAAAATCCGCAGAACTCTTAATCCGTCAC
* * * ****** ** **** * * * ****** *
MA|trpC ATTTTATAA---AATCAGCAACAGTTTATCCTCATCCAAAAGCTTTTTATAGCAAGTATG
MMZ|MM2823 TTCTAAGTGGTTACTTTTTAAACTCCTGTCATCATCCGAAATCTTTTTATATCAAGTACA
* * * * * ** * ** ****** *** ********* ******
MA|trpC GTATTAGACA
TTGTTGTACA
CAAATATACA
CCAGTGATG
ATTA----------
MMZ|MM2823 GCATTAGACA
TTGTTGTACA
CAACTATACG
TCAGTGATTCATAATG
CACGATT
* ********************* ***** ******* **
Табл. 3.
Предполагамые сайты, найденные в регуляторных областях.
| Организм |
Оперон |
Положение |
Вес |
Сайт |
| M. thermoautotrophicus |
regulator |
-8 |
7.50 |
TGTAtA-4-TGTACA |
| M
|
aroC |
-86 |
5.65 |
gGTACA-5-cGTAtA |
| M. thermoautotrophicus
|
pheA |
-71 |
6.62 |
TGgACA-5-gGTACA |
| M. thermoautotrophicus
|
trpB-1 |
-103 |
8.47 |
TGTACA-4-TGTACA |
| M. thermoautotrophicus
|
tyrA |
-135 |
5.65 |
TGgACc-5-TGTtCA |
| M. thermoautotrophicus
|
trpEGCFB-2AD |
-86 |
7.51 |
TGTACA-4-TaTACA |
| M.mazei |
trpCGEFB |
-48 |
8.98 |
aGTACA-4-TagACA-4-TGTACA |
| M.acetivorans |
trpСGEFB |
-38 |
8.97 |
TagACA-4-TGTACA-4-TaTACA |
| Methanococcoides burtonii |
trpD |
-7 |
9,95 |
TaTACA-4-TGTACA-4-TGTACA |
| Methanococcoides burtonii
|
trpCBA |
-39 |
9,31 |
TGTACA-4-TaTACt-4-TGTACA |
| Methanococcoides burtonii
|
trpB-1 |
-91 |
5,68 |
TGTAat-4-TGTACA |
| Methanococcoides burtonii
|
trpB-1 |
-41 |
7,07 |
TcTACA-4-aGTACt-4-TGTgCA |
Построение филогенетического дерева для белков Т
rpB
Присутствие в некоторых геномах двух генов для бета-субъединицы триптофан синтазы (ТrpB) наводит на мысль о дупликации данного гена в ходе эволюции. Оба гена trpB
(trpB1
и trpB2
) есть только в некоторых из изучаемых геномах: M.
thermautotrophicus,
P.
abyssi,
P.
furiosus,
M.
mazei,
M.
barkeri,
M.
burtonii,
A.
fulgidus
. В остальных случаях встречается только один из генов trpB
. С целью прояснить филогенетические соотношения между ферментами ТrpB, найденными в каждом из геномов, было построено филогенетическое дерево для всех найденных белков ТrpB (Рис. 10). На дереве отчетливо можно выделить две группы ферментов, соответствующих TrpB1 и TrpB2. Как становится понятным из анализа дерева, дупликация скорее всего произошла еще до расхождения исследуемых организмов по группам, и является, таким образом, достаточно древней. В дальнейшем, по всей видимости, в ходе эволюции различных групп происходила утрата одного из trpB
генов. Кроме того, нами была показана ошибка в аннотации генома P.
abyssi.
Ген, проаннотированный у P.
abyssi
как trpB2
, на самом деле относится к группе trpB1
.
Бактериальные гомологи были найдены только для TrpB2 (см. Рис. 10). Таким образом, TrpB1 представляет собой белок, характерный для архей, тогда как скорее всего появился в результате горизонтального переноса от бактерий. Следовательно, TrpB1 и TrpB2 являются ксенологами (Koonin et al., 2001).
Поиск регуляторных сигналов в группе, соответствующей роду
Pyrococcus
, и группе, отвечающей родам
Ferroplasma
и
Thermoplasma
Поиск регуляторных сигналов у рода
Pyrococcus
Используя имеющуюся у нас матрицу, не удалось обнаружить потенциальных сайтов перед генами синтеза триптофана в геномах P.
abyssi
и P.
furiosus.
Поэтому для поиска сайтов нами был применен метод генетического футпринтинга. В основе этого метода лежит поиск консервативных последовательностей перед ортологичными генами из родственных геномов с помощью выравнивания. (Florea et al., 2003; McCue et al., 2001)
Рис. 10.
Филогенетическое дерево белков ТrpB. Обозначения: Археи: PAB - Pyrococcus
abyssi
, PF - Pyrococcus
furiosus
, MA - Methanosarcina
acetivorans
, MM - Methanosarcina
mazei
, MBA - Methanosarcina
barkeri
, MCB - Methanococcoides
burtonii,
AF - Archaeoglobus
fulgidus
, Hsp - Halobacterium
salinum
NRC-1
, FAC - Ferroplasma
acidarmanus
, TA - Thermoplasma
acidophilum
, TV - Thermoplasma volcanium
, MTH - Methanobacter
thermoautotrophicus
. Бактерии: THM - Thermotoga maritima
, CLA - Clostridium acetobutylicum
, AQ - Aquifex aeolicus
, CV - Caulobacter vibrioides.
Парное выравнивание регуляторных областей перед оперонами, содержащими только гены синтеза триптофана, у P.
abyssi
и P.
furiosus
показало, что эти регуляторные области не имеют ярко выраженных консервативных участков, поэтому явным образом не удается выделить регуляторные сайты.
Поиск регуляторного сигнала по консенсусу, известному для аналогичного сигнала перед генами M.
thermoautotrophicus
, не дал никаких результатов. В большинстве случаев в регуляторных областях удавалось найти лишь один короткий палиндром длины 6, вероятность встретить который случайно очень велика, поэтому нельзя предполагать, что это искомый регуляторный сигнал.
Так как белки-регуляторы ортологичны, разумно предположить, что структура сигнала в геномах представителей рода Pyrococcus
будет частично сохранена. Можно предположить, что в данном случае сохранится общий план строения сигналов, но возможны некоторые изменения в консенсусе палиндромных сайтов; также возможно и изменение расстояния между палиндромными боксами. При помощи программы SignalX был осуществлен поиск коротких палиндромов в регуляторных областях. Были найдены только единичные палиндромы с низким весом. Таким образом, у архебактерий рода Pyrococcus
либо сильно изменилась структура регуляторного сайта, либо регуляция синтеза триптофана имеет совершенно другой механизм.
Поиск регуляторных сигналов в группе, отвечающей родам
Ferroplasma
и
Thermoplasma
.
Поиск в данном случае осуществлялся такими же методами, как и для рода Pyrococcus
.
Поиск сигналов вместе у родов Ferroplasma
и Thermoplasma
не дал результатов, так как, видимо, представители этих родов все-таки достаточно далеко разошлись в ходе эволюции.
При поиске внутри рода Thermoplasma
, также не удалось выявить консервативный регуляторный сигнал. Выравнивание регуляторных областей не дало никакого результата, так как регуляторные области оказались малоконсервативны.
Поскольку все белки-регуляторы являются ортологами, мы предположили, что структура сигнала должна сохраняться в ходе эволюции. Поэтому был предпринят поиск повторов, состоящих из палиндромных боксов. Такой поиск был осуществлен с помощью программы SignalX. Однако, обнаруживать устойчивый сигнал не удалось.
Подобная ситуация могла быть вызвана различными причинами. Во-первых, в результате расхождения белков-регуляторов в процессе эволюции могла измениться сама структура сайта. Во-вторых, не исключено, что могла измениться функция белка-регулятора, и регуляция синтеза триптофана в данной группе архей осуществляется иным образом.
Выводы
1. Исследована регуляция синтеза триптофана методами сравнительной геномики. Обнаружены новые потенциальные регуляторные сайты у архей M.
burtonii,
M.
acetivorans
и M.
mazei.
2. В ряде исследуемых геномов были обнаружены неортологичные замены для генов trpF
и trpA
.
3. Было показано, что появление дополнительного гена trpB
в ряде геномов архей произошло не за счет дупликации данного гена, а за счет горизонтального переноса из бактерий.
4. Для археи A.
fulgidus
были показаны доменные перестройки в белках, задействованных в синтезе триптофана.
Список литературы
Миронов А.А., Винокурова Н.П., Гельфанд М.С. (2000) Програмное обеспечение анализа бактериальных геномов.
Молекулярная
биология
, 34, 253-262
Altschul S.F., Madden T.L., Schaffer A.A., Zhang J., Zhang Z., Miller W., Lipman D.J. (1997) Gapped BLAST and PSI-BLAST: a new generation of protein database search programs
. Nucleic Acids Research
, Vol. 25, No.17, 3389-3402
Bell S.D. and Jackson S.P. (1998) Transcription in Archaea.
In “Mechanisms of transcription”, Cold Spring Harbor Laboratory Press.
Cohen G.N., Barbe V., Flament D., Galperin M.L., Heilig R., Lecompte O., Poch O., Prieur D., Querellou J., Ripp R., Thierry J.C., Van der Oost J., Weissenbach J., Zivanovic Y., and Forerre P. (2003) An integrated analysis of the genome of the hyperthermophilic archaeon Pyrococcus abyssi
.
Mol Microbiol.
47 (6), 1495-1512.
Crooks G.E., Hon G., Chandonia J.-M., and Brenner S.E. (2004) WebLogo: A Seguence Logo Generator.
Cold Spring Harbor Laboratory Press.
Daniels C.J., Mao J.-I., Rice P., Noelling J., Reeve J.N. (1997) Complete genome sequence of Methanobacterium thermoautotrophicum
deltaH: functional analysis and comparative genomics
. J. Bacteriol
. 179,7135-7155.
Daugherty M, Vonstein V, Overbeek R, Osterman A. (2001) Archaeal shikimate kinase, a new member of the GHMP-kinase family.
J Bacteriol.
183(1), 292-300.
Deppenmeier U., Johann A., Hartsch T., Merkl R., Schmitz R.A., Martinez-Arias R., Henne A., Wiezer A., Baumer S., Jacobi C., Bruggemann H., Lienard T., Christmann A., Bomeke M., Steckel S., Bhattacharyya A., Lykidis A., Overbeek R., Klenk H.P., Gunsalus R.P., Fritz H.J. and Gottschalk G. (2002) The genome of Methanosarcina mazei
: evidence for lateral gene transfer between Bacteria and Archaea.
J. Mol. Microbiol. Biotechnol
. 4 (4), 453-461.
Dodd I.B., Egan J. B. (1990) Improved detection of helix-turn-helix DNA-binding motifs in protein seguences.
Nucleic Acids Research
, Vol. 18, No. 17, 5019-5026
Galagan J.E., Nusbaum С., Roy A., Endrizzi M.G., Macdonald P., FitzHugh W., Calvo S., Engels R., Smirnov S., Atnoor D., Brown A., Alien N., Naylor J., Stange-Thomann N., DeAreHuno K., Johnson R., Linton L., McEwan P., McKernan K., Talamas J., Tirrell A., Ye W., Zimmer A., Barber R.D., Cann L, Graham D.E., Grahame D.A., Guss A.M., Hedderich R., Ingram-Smith C., Kuettner H.C., Krzycki J.A., Leigh J.A., Li W., Liu J., Mukhopadhyay В., Reeve J.N., Smith K., Springer T.A., Umayam L.A., White O., White R.H., Conway dc Macario E., Ferry J.G., Jarrell K.F., Jing H., Macario A.J., Paulsen I., Pritchett M., Sowers K.R., Swanson R.V., Zinder S.H., Lander E., Metcalf W.W., and Birren B. (2002) The genome of M. acetivorans
reveals extensive metabolic and physiological diversity.
Genome Res.
12 (4), 532-542.
Gelfand M.S., Koonin E.V., Mironov A.A. (2000) Prediction of transcription regulatory sites in Archaea by a comparative genomic approach.
Nucleic Acids Research
, 28, 695-705.
Florea L., McClelland М., Riemer С., Schwartz S. and Miller W. (2003) EnteriX 2003: visualization tools for genome alignments of Enterobacteriaceae.
Nucleic Acids Research
, 31, 13, 3527–3532
Kawarabayasi Y., Sawada M., Horikawa H., Haikawa Y., Hino Y., Yamamoto S., Sekine M., Baba S., Kosugi H., Hosoyama A., Nagai Y., Sakai M., Ogura K., Otsuka R., Nakazawa H., Takamiya M., Ohfuku Y., Funahashi Т., Tanaka Т., Kudoh Y., Yamazaki J., Kushida N., Oguchi A., Aoki K., and Kikuchi H. (1998) Complete sequence and gene organization of the genome of a hyper-thermophilic archaebacterium, Pyrococcus horikoshii
OT3.
DNA Res.
5 (2), 55-76.
Kawashima Т., Amano N., Koike H., Makino S., Higuchi S., Kawashima-Ohya Y., Watanabe K., Yamazaki M., Kanehori K., Kawamoto Т., Nunoshiba Т., Yamamoto Y., Aramaki H., Makino K., and Suzuki M. (2000) Archaeal adaptation to higher temperatures revealed by genomic sequence of Thermoplasma volcanium
.
Proc Natl Acad Sci USA.
97 (26), 14257-14262.
Klenk H.P, Clayton R.A., Tomb J.F., White O., Nelson K.E., Ketchum K.A., Dodson R.J., Gwinn M., Hickey E.K., Peterson J.D., Richardson D.L., Kerlavage A.R., Graham D.E., Kyrpides N.C., Fleischmann R.D., Quackenbush J., Lee N.H., Sutton G.G., Gill S., Kirkness K.F., Dougherty B.A., McKenney K., Adams M.D., Loftus В., and Venter J.C. (1997) The complete genome sequence of the hyperthermophilic, sulphate-reducing archaeon Archaeoglobus fulgidus
.
Nature.
390 (6658), 364-370.
Koonin E.V., Makarova K.S., Aravind L. (2001) Horizontal gene transfer in prokaryotes: quantification and classification.
Annu Rev Microbiol.
55,709-42.
Maeder D.L., Weiss R.B., Dunn D.M., Cherry J.L., Gonzalez J.M., DiRuggiero J., and Robb F.T. (1999) Divergence of the hyperthermophilic archaea Pyrococcus furiosus and P. horikoshii inferred from complete genomic sequences.
Genetics.
152 (4), 1299-1305.
McCue L.A., Thompson W., Carmack C.S., Ryan M.P., Liu J.U., Derbyshire V. and Laurence C.E. (2001) Phylogenetic footprinting of transcription factor binding sites in proteobacterial genomes.
Nucleic Acids Research
, 29, 3, 774-782.
Natori Y., Kano Y. and Imamoto F. (1990) Nucleotide sequences and genomic constitution of five tryptophan genes of Lactobacillus casei.
J Biochem (Tokyo)
. 107 (2), 248-255.
Ng W.V., Kennedy S.P., Mahairas G.G., Berquist В., Pan M., Shukla H.D., Lasky S.R., Baliga M.S., Thorsson V., Sbrogna J., Swartzell S., Weir D., Hall J., Dahl T.A., Welti R., Goo Y.A., Leithauser В., Keller K., Cruz R., Danson M., Hough D.W., Maddocks D.G., Jablonski P.E., Krebs M.P., Angevine C.M., Dale H., Isenbarger T.A., Peck R.F., Pohlschroder M., Spudich J.L., Jung K.W., Alam M., Freitas Т., Hou S., Daniels C.J., Dennis P.P., Omer A.D., Ebhardt H., Lowe T.M., Liang P., Riley M., Hood L., and DasSarma S. (2000) Genome sequence of Halobacterium species NRC-1
.
Proc Natl AcadSci USA.
97 (12176-12181)
Panina E.M., Vitreschak A.G., Mironov A.A., and Gelfand M.S. (2001) Regulation of Aromatic Amino Acid Byosynthesis in Gamma-Proteobacteria.
J.Mol. Microbiol. Biotechnol
,3(4), 529-543.
Panina E.M., Vitreschak A.G., Mironov A.A., and Gelfand M.S. (
2003) Regulation of biosynthesis and transport of aromatic amino acids in low-GC Gram-positive bacteria
FEMS Microbiology Letters,
222, 211-220
Ruepp A., Graml W., Santos-Martinez M.L., Koretke K.K., Volker C., Mewes H.W., Frishman D., Stocker S., Lupas A.N., and Baumeister W. (2000) The genome sequence of the thermoacidophilic scavenger Thermoplasma acidophilum
.
Nature.
407 (6803), 508 513
Smith D.R., Doucette-Stamm L.A., Deloughery C., Lee H.-M., Dubois J., Aldredge T., Bashirzadeh R., Blakely D., Cook R., Gilbert K., Harrison D., Hoang L., Keagle P., Lumm W., Pothier B., Qiu D., Spadafora R., Vicare R., Wang Y., Wierzbowski J., Gibson R., Jiwani N., Caruso A., Bush D., Safer H., Patwell D., Prabhakar S., McDougall S., Shimer G., Goyal A., Pietrovski S., Church G.M.,
Thomson J.D., Gibson T.J., Plewniak F., Jeanmouglin F., Higgins D. G. (1997) The Clustal_X windows interface: flexible strategies for multiple sequence alignment aided by quality analysis tools
. Nucleic Acids Research
, Vol. 25, No. 24, 4876-4882.
Wolfe R.S. (2002) The Archaea: A Personal Overview of the Formative Years.
In “The Prokariotes. An Evolving Electronic Resource for the Microbiological Community” (http://141.150.157.117:8080/prokPUB)
Xie G., Keyhani N.O., Bonner C.A., and Jensen R.A. (2003) Ancient origin of trypthophan operon and the dynamics of evolutionary change.
Microbiology and Molecular Biology Reviews
, 303-342